Biochimica generale - 1ª parte per l’esame

Composizione degli esseri viventi

Composizione dell'atmosfera attuale

• Azoto (N₂) 78%
• Ossigeno (O₂) 21%
• Anidride carbonica (CO₂) 0,03%

La biochimica descrive in termini molecolari le strutture, i meccanismi e i processi chimici comuni a tutti gli organismi, insieme ad una serie di principi organizzativi, validi per tutte le forme di vita, che vanno sotto il nome di "logica molecolare della vita". Anche se la biochimica è in grado di offrire prospettive e applicazioni pratiche nel campo della medicina, agricoltura, nutrizione e industria, il fine ultimo rimane quello di scoprire le leggi che regolano la materia vivente.

Amminoacidi

Gli amminoacidi sono acidi carbossilici che presentano un gruppo amminico sul carbonio α; entrambi i gruppi sono legati allo stesso carbonio, un carbonio chirale che origina stereoisomeri: L e D, generalmente in natura e nelle proteine appartengono alla serie L. La catena R è il gruppo che contraddistingue ogni amminoacido. A pH fisiologico si trovano sotto forma di zwitterione: gruppo amminico protonato (basica) e gruppo carbossilico deprotonato (acida).

Gli amminoacidi naturali (20) differiscono uno dall'altro nel sostituente legato al carbonio α, eccezione della prolina, tutti hanno un gruppo amminico primario e la prolina ha un gruppo amminico secondario. Gli amminoacidi sono rappresentati da un codice a 3 o 1 lettera. Gli amminoacidi essenziali (10) sono definiti tali perché devono essere assunti con la dieta in quanto l’uomo non è in grado di sintetizzarli autonomamente o li produce in quantità non sufficiente.

Sono suddivisi in 5 classi principali in base alle proprietà dei gruppi R, in particolare in base alla polarità:

• Amminoacidi con gruppi R alifatici non polari (idrofobici): alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina e prolina. Alanina, valina, leucina e isoleucina tendono a raggrupparsi nelle proteine tramite interazioni idrofobiche; la metionina contiene uno zolfo e ha un gruppo tioestere non polare mentre la prolina ha una catena laterale alifatica con gruppo amminico secondario;
• Amminoacidi con gruppi R aromatici (relativamente non polari quindi idrofobici): fenilalanina, tirosina e triptofano, possono intervenire nelle interazioni idrofobiche, tirosina e triptofano sono più polari della fenilalanina per la presenza del gruppo ossidrilico nella tirosina e dell'atomo di N nell'anello indolico del triptofano;
• Amminoacidi con gruppi R polari non carichi (più solubili in acqua, più idrofobi poiché contengono dei gruppi che formano legami idrogeno con l'acqua): serina, treonina, cisteina, asparagina e glutammina, la polarità di serina e treonina è dovuta al loro gruppo ossidrilico, della cisteina al gruppo sulfidrilico, dell’asparagina e della glutammina ai loro gruppi amminici;
• Amminoacidi con gruppi R carichi positivamente (basici): lisina, arginina e istidina, la lisina contiene un 2º gruppo amminico primario, l'arginina un gruppo guanidinico carico positivamente mentre l'istidina contiene un gruppo imidazolico aromatico;
• Amminoacidi con gruppi R carichi negativamente (acidi): aspartato e glutammato ognuno dei quali possiede un 2º gruppo carbossilico.

Ogni amminoacido presenta un gruppo carbossilico e un gruppo amminico, in soluzione può esistere sia in forma acida che in forma basica a seconda del pH della soluzione in cui sono disciolti: la forma acida prevale in soluzioni in cui il pH è inferiore al suo valore di pK_a mentre la forma basica prevale a pH superiori al loro valore di pK_a; il pK_a del gruppo carbossilico è 2,3 mentre del gruppo amminico è 9,6.

Punto isoelettrico è il pH al quale un amminoacido non reca alcuna carica netta, la somma delle cariche positive eguaglia la somma delle cariche negative.

Legame peptidico è un legame ammidico che si instaura tra il gruppo carbossilico e il gruppo amminico, solo ed esclusivamente il primo e l’ultimo gruppo di una catena possono trovarsi in forma protonata o deprotonata mentre i gruppi presenti in mezzo non possono più protonarsi o deprotonarsi.

Catena polipeptidica è l'unione di amminoacidi legati tra loro con legami peptidici, si inizia sempre a scrivere dal gruppo amminico e si finisce la catena con il gruppo carbossilico.

Struttura delle proteine

Gli amminoacidi si legano tramite un legame ammidico (peptidico) impiegando il gruppo carbossilico e il gruppo amminico di ciascuno, si tratta di una reazione di condensazione (eliminazione H₂O) dei due gruppi che porta alla formazione di un legame che presenta un parziale carattere di doppio legame (40%). Questo discorso è valido quando viene chiesto di rappresentare una formula ma non per la formazione di un peptide in vivo poiché vi è la traduzione della sintesi proteica e la formazione del legame avviene sui ribosomi.

Legami e interazioni

I legami covalenti sono forti e costituiscono lo scheletro di una proteina, perciò la catena polipeptidica è costituita da una successione di legami peptidici covalenti; sono presenti altre tipologie di legami per definire come si rigira la catena nello spazio, le interazioni sono più deboli dei legami covalenti ma se numerose fanno sì che la struttura risulti stabile e definita. Le interazioni sono: interazioni idrofobiche, legami ad idrogeno, ionici e forze di Van der Waals.

Osservando un legame peptidico si può notare la presenza di un piano per il legame, i legami degli atomi presenti nella parte grigia sono sullo stesso piano poiché il legame C=O possiede il carbonio ibridato sp² e l’azoto legato al carbonio attraverso un legame che ha un parziale carattere di doppio legame e il suo doppietto elettronico appartiene ad un unico sistema insieme al secondo legame C=O, tutto ciò determina grande stabilità del legame, mostrando che il carbonio e l’azoto sono più vicini di un legame singolo anche se non quanto un doppio legame e c’è la possibilità di delocalizzazione della nuvola sull’azoto, il carbonio e l’ossigeno fanno sì che tutti i legami siano a 120° l’uno dall’altro (planarità).

In tale piano non sono presenti solo azoto, carbonio e ossigeno ma anche il carbonio α legato al carbonio del C=O, il carbonio dell’amminoacido vicino a cui è legato. In ogni piano di ogni legame peptidico fanno parte sia il carbonio α dell’amminoacido sia il carbonio dell’amminoacido adiacente, il carbonio centrale fa parte di due piani di legami peptidici perciò è tetraedrico e ha libertà di rotazione, ma la libertà di rotazione è limitata dal fatto che i due legami C-C appartengono ciascuno a un piano diverso, ogni piano può ruotare ma solo per alcuni intervalli di angoli diedri. Quindi gli angoli di rotazione (ψ e φ) sono gli angoli di rotazione di un piano di legame rispetto a un piano ideale.

Dato che i carboni sono tetraedrici, ogni legame non è co-planare con il legame adiacente, c’è un angolo tra gli uni e gli altri; i legami vicini non possono giacere sullo stesso piano ma sono un po’ piegati e non hanno tutte le possibilità di rotazione l’uno rispetto all’altro.

Il diagramma di Ramachandran è una rappresentazione di quali sono teoricamente le possibili rotazioni reciproche dei legami peptidici. Se φ = 0, ψ non può assumere nessun valore poiché deve ripiegarsi almeno un po’; se φ = 90°, le rotazioni possibili di ψ sono indicate dalle zone blu, le possibilità migliori sono quelle blu scuro dove i due legami successivi non si disturbano, le gialle sono proibite mentre quelle in azzurro non sono facili e sono poco probabili dal punto di vista termodinamico. Una volta studiate le strutture 3D delle proteine le rotazioni dei piani di legami peptidici davvero presenti sono rappresentate dai punti neri che si trovano all’interno delle zone definite teoricamente già come possibili ma alla fine delle zone ne sono sfruttate solo alcune. Sono quelle presenti nelle strutture secondarie più comuni delle proteine: struttura α-elica e struttura β-foglietto. Le strutture secondarie mostrano come sono avvolti l’uno sull’altro e legami peptidici e come sono orientati l’uno rispetto all’altro nell’ambito di una regione di proteina.

Struttura α-elica: i piani sono avvolti a formare un’elica nella quale intervengono tante interazioni non covalenti, soprattutto i legami ad idrogeno; l’elica deve avere un certo passo (5,4 Å), tra una spira e l’altra se no i componenti non riuscirebbero ad avvolgersi gli uni sugli altri. In tale struttura si possono formare legami ad idrogeno tra l’NH di un legame e il C=O di un legame tra il 3º e il 4º amminoacido successivo, se l’elica fosse più larga o stretta l’orientazione reciproca non sarebbe più tale da consentire la formazione di legami ad idrogeno, ciò vale per tutti i legami tranne quelli che si formano nel 1º e nell’ultimo amminoacido. La struttura α-elica è stabile e la formazione è termodinamicamente favorita, la destra è una delle più frequenti e si può rappresentare in vari modi: nastro o cilindro.

Struttura β-foglietto: si ha la formazione di legami ad idrogeno tra NH e C=O, tra le porzioni di proteine adiacenti, l’insieme di interazioni può portare alla stabilità. Se tutte le catene sono nella stessa direzione si parla di β-foglietto parallelo, se tutte le catene sono una opposta all’altra si parla di β-foglietto antiparallelo; gli antiparalleli hanno legami ad idrogeno più allineati quindi più stabili.

I gruppi laterali non contribuiscono alla formazione delle caratteristiche strutture secondarie, però alcuni gruppi laterali vanno più d’accordo con l’α-elica, altri con il β-foglietto ripiegato, altri ancora non vanno d’accordo con nessuna delle due. I legami che si formano per dare origine alle strutture secondarie vedono impiegati i gruppi comuni presenti negli amminoacidi (NH e C=O). La rappresentazione della struttura β-foglietto ripiegato è una freccia piatta.

Struttura terziaria: ogni tratto di proteina può avere diverse porzioni di struttura secondaria che si orientano in un certo modo una rispetto all’altra grazie alle interazioni che si instaurano tra i gruppi laterali. Le interazioni che si possono instaurare tra i gruppi laterali di amminoacidi diversi nello spazio sono: legami ad idrogeno, forze di Van der Waals, legami a ponte di solfuro e interazioni idrofobiche. Chi conduce la proteina ad acquisire una determinata struttura terziaria sono meccanismi enzimatici e interazioni che mettono vicine strutture secondarie diverse al fine di formare le strutture terziarie.

Per motivi strutturali si intendono semplici organizzazioni di strutture secondarie, dello stesso tipo o diverse, che si ritrovano in più proteine, vi sono motivi strutturali più frequenti di altri, come si orientano le diverse regioni l’una rispetto all’altra costituisce per porzione un motivo strutturale. L’assunzione della struttura finale è un processo che ha ragioni termodinamiche ma non è scontato, dipende da come viene fuori la proteina dai ribosomi; la formazione della struttura avviene per gradi e dipendentemente dalla formazione di legami non forti tranne i ponti disolfuro, interazioni che possono essere vinte a T normali grazie ai moti molecolari. Una proteina ha una struttura molto elastica e non ferma, i domini si formano un po’ alla volta con una sorta di prova e riprova, le strutture finali sono stabili a T tra 37 e 20°C, a T superiori i moti molecolari sono così elevati che le strutture terziarie non reggono e c’è la denaturazione della proteina. Perciò la stabilità è garantita in condizioni blande, le strutture secondarie sono quelle che reggono di più ma una proteina che non ha una struttura terziaria non ha la sua funzione biologica.

Struttura globale folding: è il ripiegamento specifico che ogni struttura proteica può assumere per arrivare alla sua definitiva situazione, processo estremamente importante poiché se una proteina non raggiunge il suo folding corretto non è funzionale, per raggiungerlo occorre che man mano che la proteina esce dal ribosoma si stabiliscono le interazioni che generano la struttura secondaria poi tali regioni devono assumere una forma definitiva interagendo tra loro ovvero le varie porzioni si orientano l’una rispetto all’altra per arrivare alla struttura terziaria. Una delle più frequenti è l’interazione idrofobica che si stabilisce poiché vi sono tanti amminoacidi idrofobici delle proteine e le proteine sono spesso immerse in un ambiente acquoso.

Struttura quaternaria: si forma quando sono presenti più catene polipeptidiche indipendentemente sintetizzate che possono essere organizzate a formare un’unità funzionale, ogni catena che costituisce l’unità funzionale è detta subunità, le subunità possono essere uguali o diverse. Le interazioni tengono insieme la struttura quaternaria sono le stesse di una struttura terziaria, ma la quaternaria è costituita da catene indipendenti che possono essere sintetizzate da geni diversi.

Domini proteici

Le proteine possono essere suddivise in domini, i motivi strutturali si combinano a formare strutture globulari compatte: i domini; una proteina può essere costituita da uno o più domini, e i domini possono essere unità funzionali: “un polipeptide o una parte di polipeptide che può ripiegarsi indipendentemente in una struttura terziaria”, “unità compatte all’interno di una singola catena che sembrano avere una stabilità intrinseca”. Le proteine spesso hanno un’organizzazione modulare: sono costituite da più domini diversi e ciascuno ha un proprio compito, essi sono collegati tra loro e ciò che succede su un dominio poi viene risentito sull’altro. Esempio di struttura modulare sono i fattori di trascrizione: proteine che legano il DNA coinvolte nella regolazione della trascrizione e hanno almeno un dominio di legame al DNA che può trovarsi all’estremità o nella porzione centrale.

Una proteina è definita monomerica quando agisce funzionalmente come un monomero ed è costituita da una sola subunità, possiede struttura terziaria quaternaria. Il citocromo C ha il gruppo prostetico eme, che non è quello dell’emoglobina, è una proteina della catena di trasporto degli elettroni, non uguale in tutti gli organismi ma simile, è una delle proteine più conservate nell’evoluzione tanto che la sequenza del citocromo e le similitudini e differenze in specie diverse vengono usate per valutare la distanza evolutiva.

Esistono anche proteine che non hanno una struttura definita e possono essere classificate in due categorie:

• Proteine IUP: proteine che non possono avere una struttura definita intrinsecamente;
• Proteine PUF: proteine che hanno strutture secondarie che si formano abbastanza bene ma poi non riescono a raggiungere la terziaria in maniera univoca.

Queste proteine hanno una grandissima funzione poiché possono assumere una certa struttura piuttosto che un’altra quando interagiscono con un’altra proteina, possono avere un ruolo di adattatori: adattare una catena ad un’altra, perciò possono legarsi ad altre proteine (o DNA) e il legame le porta ad assumere una struttura più definita.

La proteina comincia ad assumere la struttura finale man mano che esce dal ribosoma, le interazioni che possono stabilirsi tra regioni all’inizio della proteina (N-terminale) magari sono stabili da mantenersi e i moti molecolari non le fanno staccare, se invece la stessa proteina è presa quando scaldata o trattata con agenti denaturanti, perde la struttura 3D, e se poi la si lascia riavvolgere, o raffreddando o togliendo il denaturante la proteina assumerà la struttura più stabile passando anche attraverso vari stadi e non è detto che la struttura finale sia la stessa di quella proteina poiché la rinaturazione potrebbe avvenire in condizioni diverse rispetto alla proteina nativa. Quindi una proteina assume spontaneamente la struttura secondaria in alcune regioni; le regioni a struttura secondaria, attraverso altre interazioni, soprattutto idrofobiche, assumono progressivamente la struttura terziaria.

Spesso le strutture termodinamicamente possibili sono tante e per fare assumere alla proteina nativa la struttura funzionale occorrono degli aiuti che sono dati da:

• Enzimi: consentono alla proteina di assumere la struttura 3D finale nel caso anche quaternaria tramite la formazione di ponti disolfuro, vi sono enzimi che rompono in continuazione ponti disolfuro fino a formare quelli più stabili in cui la proteina è in condizioni termodinamicamente più favorevoli;
• Chaperon molecolari: grossi complessi proteici che hanno un foro, regione d’ingresso della proteina parzialmente foldata, che restituiscono dopo vari step con la parte interna del complesso e la proteina strutturata in modo funzionale.

Se le proteine assumono la struttura 3D sbagliata, struttura che non permette di funzionare, vengono degradate; una proteina che ha perso la struttura 3D è denaturata, la rinaturazione può riportare alla sua funzione.